基于SOPC 的1553B 总线接口逻辑设计

　　摘要:针对1553B 总线协议控制器基本依赖于进口专用芯片现状，提出了以Xilinx 公司Virtex-II Pro FPGA 为核心实现1553B 总线接口逻辑的系统设计方案。采用SOPC 技术，将PowerPC 405 硬核处理器与总线接口逻辑集成在一片FPGA 上，从而使系统集成度高、功能强大、扩展性强。通过测试表明，系统工作稳定可靠，满足1553B 总线协议标准。

　　1 引言

　　数据总线是飞机航电系统中首先运用的数字电子设备之一，MIL-STD-1553B 就是其典型代表，它利用一条屏蔽的双绞线进行带有时钟信息的数据传输。1553B 具有高可靠性的特点，它已经成为我国航空航天领域广泛采用的军用总线标准。由于1553B 总线协议控制器基本依赖于进口的专用芯片，价格昂贵，还受到限制，并且这些芯片需要很多外围的硬件电路配合工作，如果完成整个总线接口板的设计，还需要单独的MCU，集成度不高，这样就在某种程度上限制了设计能力。随着嵌入式技术的发展，可编程片上系统设计(System on aProgrammable Chip,SOPC)技术已经在很多领域得到实际应用。本文采用SOPC 技术，以Xilinx 公司的Virtex-II Pro FPGA 为核心，实现1553B 总线传输协议的接口逻辑设计。

　　2 1553B 数据总线传输协议简介

　　现在广泛采用的 1553B 标准是根据1973 年军标1553 原版基础上发展而来的。1553B是一种集中控制式、飞机内部时分指令/响应型多路串行数据总线标准，具有高可靠性和灵活性，已经成为现代航空机载系统设备互联的关键技术，广泛应用于飞机、舰船等武器平台上。1553B 数据总线的传输速率为1Mbps，协议规定3 种字：命令字、数据字和状态字。字的长度为20 个bit，且由3 部分组成：同步头(3bit),消息块(16bit)和奇偶位(1bit)。信息量最大长度为32 个字。总线系统由一个总线控制器(BC)与不多于31 个的远程终端(RT)组成，有时系统中还可以加入总线.(MT)，由于终端类型的不同，可辨别出命令字和状态字，命令字由BC 发出，而状态字则由RT 发出。总线上传输的信息格式主要有BC 到RT，RT到BC，RT 到RT，广播方式和系统控制方式。

　　3 系统结构及功能

　　系统采用 Xilinx 公司的Virtex-II Pro XC2VP30 FPGA 为核心，其内部带有2 个PowerPC405 处理器核。总线接口协议实现是基于Xilinx Virtex-II Pro 开发系统平台的，Virtex-II Pro开发平台是整个系统的核心，可以快速的搭建1553B 总线实现平台。系统的硬件平台主要由Virtex-II Pro 开发板、总线转换器、总线终端设备和PC 机构成，系统结构如图1 所示。

　　在系统的开发中，为了提高开发效率，同时系统主要验证的就是1553B 总线协议模块，因此可以充分利用Xilinx 公司的Virtex-II Pro 开发板。开发板上具有丰富的资源，主要包括：XC2VP30 芯片、SDRAM(可以扩展到2GB)、高速SelectMAP FPGA 配置PROM、RS232 串口、嵌入平台的USB 配置端口、高速系统扩展接口(与FPGA 的I/O 管脚相连)并可选择差分或单端模式、PS2 接口、AC97 音频接口、板上10/100M 以太网设备等等。这些丰富的板上资源为1553B 总线协议逻辑的开发提供了支持。

　　1553B 总线协议开发主要在FPGA 芯片中开发，因此FPGA 本身性能的好坏将影响系统的开发。XC2VP30 内部具有两个PowerPC 405 处理器核、13969 个Slices、分布式RAM 为428Kb、136 个乘法器单元、块RAM 为2448Kb、8 个DCM、8 个多吉比特收发器。由此可见，系统选用的FPGA 完全可以满足1553B 总线逻辑开发的需求。基于Xilinx 公司的Virtex-IIPro 开发板搭建起来的1553B 总线开发平台共分为4 个部分。其中各部分的功能说明如下：Virtex-II Pro 开发板：主要完成与PC 机通信功能，接收或向总线终端设备发送数据并将其转换成1553B 总线协议格式。

　　PC 机：系统通过PC 机对整个系统运行进行控制，如开始、运行、结束等命令都是通过PC 机由串口发送给开发板。

　　总线终端设备：采用单片机作为总线终端设备的核心，它与 FPGA 采用8 位并行数据总线进行数据传递。由总线终端设备向开发板发送数据，通过1553B 总线协议模块转换成协议格式，同时1553B 总线协议模块也可以接收来自总线的数据，并将其转换成总线终端设备可以接收的数据格式，总线终端设备通过判断发送数据与接收数据，可以确定

　　1553B 总线协议转换模块的有效性。

　　总线转换器：由于 1553B 总线上传输的是双极性的差分信号，因此，开发板在收发数据时首先要进行电平转换以及相应的调制解调，总线转换器就是完成这部分功能的。

　　4 1553B 总线接口逻辑的SOPC 设计

　　SOPC 的开发过程与传统的嵌入式系统设计不同，可以分为硬件开发和软件开发两个流程。Xilinx 公司的嵌入式开发工具EDK(Embeded Development Kit)SOPC 开发套件，可以进行Power PC 硬核嵌入式微处理器的开发工作，使用灵活方便，带有丰富的IP 资源，是目前性能比较优异的嵌入式微处理器开发工具，系统设计中使用的为EDK8.2 版本。应用EDK开发SOPC 系统过程中可以与ISE(Integrated Software Environment)软件配合使用，ISE 是Xilinx 公司FPGA/CPLD 的集成开发环境，该软件环境集成了FPGA 的整个开发过程所用到的工具。在本文1553B 总线接口逻辑的设计过程中，对于1553B 的编码、解码等核心模块，就是在ISE 环境下利用Verilog HDL 编写并调试通过，然后通过EDK 嵌入到系统当中的。

　　4.1 编码/解码模块

　　曼彻斯*编码/解码是1553B 总线接口重要的组成部分，曼彻斯*编解码模块设计的好坏直接影响总线接口的性能。系统编码模块完成的是曼彻斯*的编码及解码，并检测错误。它能够接收具有有效同步字头的曼彻斯*，并进行译码，以及识别其类型和串并转换、奇偶校验等；编码模块能将处理器输出的并行二进制数据进行曼彻斯*编码，再加上同步字头及奇偶位，从而满足符合1553B 标准的字进行输出。

　　曼彻斯*是一种广泛应用于航空电子综合系统中的总线数据传输的双极性码。它在每个码位中点存在一个跳变，1 信号是一个由1 到0 的负跳沿，而0 信号是由0 到1 的正跳沿。在MIL-STD-1553B 协议中其数据格式如图2 所示。

　　在系统的编码/解码模块设计中采用同步设计的方法，这样，所有的触发器都由一个公共时钟信号来同步。因此，可以很好的解决毛刺和一些竞争与冒险。

　　编码模块主要分为三个部分，分别为检测编码周期是否开始并产生同步字头、串并转换并产生奇偶校验位、对数据和奇偶校验位进行编码。下面给出了部分编码模块的源代码：

　　always @(posedge enc_clk or negedge rst_n)//检测编码周期开始,根据字型确定同步头

　　begin

　　if (!rst_n)

　　sync_bits <= 6'b000_000 ;

　　else if (tx_csw)

　　sync_bits <= 6'b111_000 ;//当写入命令字，同步头为111000

　　else if (tx_dw)

　　sync_bits <= 6'b000_111 ;//当写入数据字，同步头为000111

　　else

　　sync_bits <= sync_bits ;

　　end

　　解码模块也可以分为三个部分，分别为同步字头检测、数据解码、串并转换与奇偶校验。

　　这个过程与编码模块是类似的。

　　4.2 消息处理模块

　　消息处理模块主要是接收来自 PC 机的命令，并且将运行结果上传到PC 机。为了能够快速完成系统的开发，采用EDK 自带的串口控制器IP Core。由于在Virtex-II Pro 开发板上面已经设计了与PC 机相连的RS232 串口，并且配有标准的DB-9 接口，因此只需要通过IPCore 16450-UART 控制器接收和发送数据即可实现系统与PC 机的消息处理功能。

　　4.3 PC 机和终端机程序设计

　　系统整个运行过程是，通过PC 机上的应用程序控制FPGA 是否开始工作，如果FPGA开始工作，则接收终端设备单片机发送来的并行数据，并根据用户逻辑对数据进行解析，并将数据送往编码模块，编码后的数据经过总线转换器送到1553B 总线上，通过测试仪器接收分析。同时，FPGA 也可以接收来自总线上的数据，在解码模块的作用下，完成同步字头检测、数据解码、串并转换以及奇偶校验等处理，然后根据用户逻辑对数据进行封装并送给终端设备，终端设备接收到数据进行存储，并连同原始发送数据一起通过FPGA 上传到PC机，以便对数据的正确性进行判断与验证。对于PC 机程序在VC6.0 环境下采用C++语言开发；终端设备单片机程序在Keil 编程环境，采用c51 语言开发。由于PC 机和单片机程序只是为了验证基于SOPC 开发的1553B 接口逻辑，不是本文论述重点，这里不过多赘述。

　　5 测试结果及结论

　　本文采用基于 SOPC 的设计方法，完成了MIL-STD-1553B .接口逻辑的开发，并且通过仪器对系统进行了测试。图3 是通过Tektronix 公司的TDS3032B 型示波器测得的系统输出的数据波形。测试结果表明，系统能够正确的接收和发送符合1553B 总线接口协议的数据，工作稳定可靠。

　　本文作者创新点：将 SOPC 技术应用于1553B 总线接口逻辑的开发中，使系统设计简单，配置更灵活，易于扩展，从而摆脱了1553B 总线控制器依赖于国外进口芯片的束缚，具有良好的军事和经济效益。初步预测项目经济效益约为300 万元。